基于成年行人頭部保護(hù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化*

張良安 喬維高

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1) 武漢 430070) (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2) 武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心3) 武漢 430070) (武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院4) 武漢 430223)

基于成年行人頭部保護(hù)的汽車發(fā)動(dòng)機(jī)罩優(yōu)化*

張良安1,2,3)喬維高1,2,3,4)

(武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院1)武漢 430070) (現(xiàn)代汽車零部件技術(shù)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室2)武漢 430070) (汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心3)武漢 430070) (武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院4)武漢 430223)

通過(guò)正交試驗(yàn)的方法優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)罩結(jié)構(gòu)，以減小成年行人頭部在車-行人碰撞中的傷害.基于Hyper Works和LS-DYNA建立了成人頭型沖擊器與發(fā)動(dòng)機(jī)罩的碰撞有限元模型，仿真結(jié)果與數(shù)值計(jì)算結(jié)果相符.借助該有限元模型，研究了影響頭部傷害的主要因素的聯(lián)合作用，包括發(fā)動(dòng)機(jī)罩的強(qiáng)度、傾斜角度、厚度和剛度，并通過(guò)正交試驗(yàn)挑選出了最優(yōu)水平組合.與初始模型相比，最優(yōu)水平組合的頭部傷害指標(biāo)(HIC)降低了19.44%.且HIC對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩的強(qiáng)度、傾斜角度、厚度和剛度的靈敏性依次增加.同時(shí)，指出在發(fā)動(dòng)機(jī)罩傾斜角度為5°附近做細(xì)化研究可進(jìn)一步提高行人的安全性.

行人頭部保護(hù)；發(fā)動(dòng)機(jī)罩；碰撞；正交試驗(yàn)；頭部傷害指標(biāo)

0 引 言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，2007年中國(guó)行人交通事故占交通事故的54.4%[1-2].行人是交通事故中的弱者，其死亡人數(shù)占交通事故死亡人數(shù)的24.6%[3].經(jīng)事故分析，行人致死原因62%與頭部傷害有關(guān)，而頭部傷害的20%又與發(fā)動(dòng)機(jī)罩有關(guān)[4].

喬維高等[5]對(duì)影響行人頭部傷害的因素進(jìn)行了深入研究，但并未對(duì)這些因素進(jìn)行方便有效地組合研究.文中運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法研究發(fā)動(dòng)機(jī)罩強(qiáng)度、剛度、厚度和傾斜角度對(duì)行人頭部加速度的影響靈敏度，得出并驗(yàn)證最優(yōu)水平組合.

1 成人頭型沖擊器有限元模型

頭型沖擊器分為成人和兒童頭型沖擊器.在此，以成人頭型沖擊器為代表.

1.1 成人頭型沖擊器模型的建立

文獻(xiàn)[1]對(duì)成人頭型沖擊器的幾何尺寸要求見圖1a)，且應(yīng)滿足質(zhì)量m=(4.5±0.1) kg、質(zhì)心與幾何中心偏差在5 mm以內(nèi)，對(duì)過(guò)質(zhì)心且垂直于沖擊方向的軸的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量I=0.010～0.013 kg·m2等靜力學(xué)條件.

按照?qǐng)D1a)的要求，可以把模型簡(jiǎn)化成底板，球體和頭皮3部分，見圖1b)，幾何參數(shù)上設(shè)定3個(gè)調(diào)節(jié)參數(shù)，建立其質(zhì)量方程，質(zhì)心方程和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量方程，使之滿足靜力學(xué)要求，進(jìn)而可求出設(shè)定的3個(gè)參數(shù)[6].按照設(shè)定的幾何尺寸和形狀，可在CATIA中建立初始模型，見圖2.

圖2 成人頭型沖擊器CAD模型

有限元模型在Hyper Mesh中建立.相對(duì)于球體和底板，頭型的外層頭皮較易變形，在碰撞過(guò)程中易出現(xiàn)負(fù)體積而無(wú)法運(yùn)算，故要求網(wǎng)格較細(xì).同時(shí)，在頭皮外表面覆蓋一層空殼單元.為了提高計(jì)算精度，球體、底板和頭皮兩兩之間共節(jié)點(diǎn)連接，外層空殼單元從頭皮三維網(wǎng)格上提取、與頭皮共節(jié)點(diǎn)連接，自動(dòng)面面接觸.網(wǎng)格劃分為5 mm的四面體網(wǎng)格，共有26 910個(gè)節(jié)點(diǎn)，135 127個(gè)單元.

根據(jù)材料特性，LS-DYNA中的6號(hào)粘彈性材料可以很好地模擬頭皮材料，而球體和底板采用MAT20剛性材料模擬較好.通過(guò)建立基于響應(yīng)面法的參數(shù)優(yōu)化模型，即可得到滿足頻率和加速度等條件的最佳材料參數(shù).最終確定的材料參數(shù)見表1，有限元模型見圖3.最終頭型沖擊器的靜力學(xué)參數(shù)為：m=4.483 kg，質(zhì)心坐標(biāo)(0,0,0)，Ix=Iy=0.011 5 kg·m2，符合法規(guī)要求.

表1 成人頭型沖擊器材料參數(shù)

圖3 成人頭型沖擊器CAE模型

1.2 成人頭型沖擊器的標(biāo)定

動(dòng)力學(xué)上，成人頭型沖擊器需進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)，試驗(yàn)方法見圖4a).跌落高度為(376±1) mm，跌落角度為65°±2°，剛板尺寸大于300 mm×300 mm×50 mm.要求其下落過(guò)程不旋轉(zhuǎn)，且滿足峰值加速度在225～275g之間.

圖4 成人頭型沖擊器

按照上述試驗(yàn)條件，對(duì)頭型進(jìn)行仿真標(biāo)定，其模型見圖4b).經(jīng)過(guò)計(jì)算和后處理，標(biāo)定試驗(yàn)所得頭型質(zhì)心加速度時(shí)間歷程見圖5.易知峰值加速度amax=264g，符合法規(guī)要求，可用于以下研究.

圖5 標(biāo)定模型質(zhì)心加速度時(shí)間歷程

2 發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞仿真及分析

根據(jù)某車型發(fā)動(dòng)機(jī)罩幾何和材料參數(shù)，建立其簡(jiǎn)化模型，見圖6.根據(jù)球體與薄板沖擊的力學(xué)原理，可得到頭型與發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞的微分方程

(1)

(2)

式中：m1,m2為頭型和發(fā)動(dòng)機(jī)罩的質(zhì)量；x1為頭型的位移；x2為發(fā)動(dòng)機(jī)罩的變形位移；kb為發(fā)動(dòng)機(jī)罩的等效彎曲剛度；km為發(fā)動(dòng)機(jī)罩的等效薄膜剛度；h(x1～x2)為碰撞模型的力-位移函數(shù).

聯(lián)立式(1)和式(2)，可對(duì)頭型與發(fā)動(dòng)機(jī)罩碰撞過(guò)程的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)進(jìn)行計(jì)算，得到的頭型質(zhì)心峰值加速度約為171g.

頭型沖擊器以9.7±0.2 m/s的速度撞擊發(fā)動(dòng)機(jī)罩，碰撞點(diǎn)位于中心線上離發(fā)動(dòng)機(jī)罩前緣1.0 m處，沖擊方向與水平面呈65°±2°的夾角.碰撞過(guò)程中頭型與發(fā)動(dòng)機(jī)罩自動(dòng)面面接觸.

經(jīng)過(guò)LS-DYNA求解計(jì)算得到的質(zhì)心加速度時(shí)間歷程曲線見圖6，整體上曲線呈現(xiàn)出一個(gè)峰值，峰值加速度約為163g.與計(jì)算模型的誤差在5%以內(nèi)，該模型可用于后續(xù)分析和仿真.曲線的單峰主要是頭型直接與發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板碰撞產(chǎn)生的較大反作用力而形成的.波峰加速度與外板厚度、外板材料和接觸部件數(shù)等有關(guān)[7].

圖6 初始模型質(zhì)心加速度時(shí)間歷程

HIC為頭部傷害程度的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)，其值越小表示頭部傷害程度越小，對(duì)行人的保護(hù)越有利.按式(3)計(jì)算.

(3)

式中：t1,t2為碰撞中的2個(gè)時(shí)刻，t2-t1≤15 ms；a為頭型質(zhì)心加速度時(shí)間歷程，g.

經(jīng)過(guò)濾波和計(jì)算，得到該模型的HIC=1 368，遠(yuǎn)大于法規(guī)規(guī)定的1 000.本人在前續(xù)研究中，已經(jīng)探討了發(fā)動(dòng)機(jī)罩外板厚度、屈服強(qiáng)度、長(zhǎng)度、和曲率半徑對(duì)HIC值的影響[8-9].故文中運(yùn)用正交試驗(yàn)的方法對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩強(qiáng)度、剛度、厚度和傾斜角度進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).

3 正交試驗(yàn)優(yōu)化方案

3.1 正交試驗(yàn)

由材料力學(xué)知，可用材料的屈服強(qiáng)度和罩板的長(zhǎng)度分別表示發(fā)動(dòng)機(jī)罩的強(qiáng)度和剛度.根據(jù)該車型實(shí)際情況，分別選取其屈服強(qiáng)度、長(zhǎng)度、厚度和傾斜角度上的3個(gè)水平，見表2.

表2 因素水平表

該問(wèn)題為4因素3水平，采用L9(34)正交試驗(yàn)表，只需做9次仿真試驗(yàn)即可得出最佳水平組合，見表3.

表3 L9(34)正交試驗(yàn)表及統(tǒng)計(jì)結(jié)果

3.2 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

按表3依次進(jìn)行仿真試驗(yàn)，并記錄試驗(yàn)結(jié)果于表3中.其中，Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj為第j個(gè)因素的1，2，3水平的HIC總和；Rj為第j個(gè)因素的水平極差.

最優(yōu)水平組合分析及驗(yàn)證：每個(gè)因素的每個(gè)水平均與其他因素水平進(jìn)行了一次試驗(yàn)，故Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj可分別代表該因素的3個(gè)水平的優(yōu)化作用大小.其中：Ⅰj，Ⅱj，Ⅲj越小，該水平越優(yōu).易知，該組試驗(yàn)的最優(yōu)水平組合為A1B1C2D1.

按照A1B1C2D1水平進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)，其仿真結(jié)果見圖7，其峰值加速度約為160g，HIC=1 102.相對(duì)于初始模型，HIC減小了19.44%.

圖7 優(yōu)化模型質(zhì)心加速度時(shí)間歷程

靈敏度分析：某因素的水平變動(dòng)造成試驗(yàn)結(jié)果變化越大，有理由認(rèn)為頭部傷害指標(biāo)對(duì)該因素越靈敏.由表3可知，RA

進(jìn)一步的細(xì)化研究分析：由表3可知，可對(duì)各因素水平下的HIC值做如下統(tǒng)計(jì)，觀察其變化趨勢(shì)，其結(jié)果見圖9.對(duì)于罩板傾斜角度在5°附近做更細(xì)化的研究，適當(dāng)降低強(qiáng)度，厚度和長(zhǎng)度可能得到更優(yōu)結(jié)果.

圖8 各因素水平的HIC變化趨勢(shì)

4 結(jié) 論

1) 正交試驗(yàn)得到的最優(yōu)水平組合為A1B1C2D1.其仿真試驗(yàn)得到的HIC約為1 102，相對(duì)于原模型，降低了19.44%.

2) 罩板強(qiáng)度、剛度、厚度和傾斜角度4個(gè)因素中，HIC對(duì)其靈敏度從小到大依次為：強(qiáng)度<傾斜角度<厚度<剛度.

3) 為了得到更優(yōu)化的結(jié)果，可以對(duì)罩板傾斜角度在5°附近做更細(xì)化的研究.

[1]中國(guó)汽車技術(shù)研究中心.汽車對(duì)行人的碰撞保護(hù):GB/T 24550—2009[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2010.

[2]張鐵川，朱西產(chǎn)，苗強(qiáng)，等．針對(duì)行人保護(hù)頭部碰撞的發(fā)動(dòng)機(jī)罩設(shè)計(jì)方法[J]．汽車技術(shù)，2009(12):24-28．

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Optimization of Vehicle Engine Hood Based on Protecting Adult-pedestrian Head

ZHANG Liang’an1,2,3)QIAO Weigao1,2,3,4)

(SchoolofAutomotiveEngineering,WuhanUniversityofTechnology,Wuhan430070,China)1)(HubeiKeyLaboratoryofAdvancedTechnologyofAutomotiveComponents,Wuhan430070,China)2)(HubeiCollaborativeInnovationCenterforAutomotiveComponentsTechnology,Wuhan430070,China)3)(WuhanUniversityofTechnologyHuaxiaCollege,Wuhan430223,China)4)

In order to reduce adult-pedestrian head injury during vehicle-pedestrian collision, the paper aims to optimize the structure of engine hood by orthogonal experiment. In the paper, a FEM model of an adult-head form impactor colliding with an engine hood is built based on Hyper Works and LS-DYNA and its results are consistent with numerical results. Based on the FEM model, the combining effect for head injury of many main factors including the strength, tilt angle, thickness and stiffness of hood has been studied and the optimal combining level has been selected by arranging orthogonal experiment. Compared with the original model, the head injury criterion (HIC) of the optimal structure reduces 19.44% and the sensitivity ofHICis gradually increasing in the strength, tilt angle, thickness and stiffness of hood. Meanwhile, the article points out that refinement study on tilt angle of hood around 5°can further improve the pedestrian’s safety to.

pedestrian head protection; engine hood; collision; orthogonal experiment;HIC

2016-10-31

*汽車零部件技術(shù)湖北省協(xié)同創(chuàng)新中心專項(xiàng)項(xiàng)目資助(20132r0001)

U461.91

10.3963/j.issn.2095-3844.2017.01.030

張良安(1992—):男,碩士生,主要研究領(lǐng)域?yàn)槠嚤粍?dòng)安全、汽車CAD/CAE